3。4。2  加速度计原理 11

3。4。3 I2C 总线协议 12

3。4。4 MPU6050 数据读取 14

3。5 电机驱动芯片 21

3。5。1 H 桥驱动电路 21

3。5。2  专用驱动芯片 L293D 23

第四章 系统软件设计 26

4。1  系统软件设计 26

4。2  卡尔曼滤波 26

4。1。1 卡尔曼核心公式 27

4。2 PID 控制器 29

4。2。1 模拟 PID 控制原理 30

4。2。2 PID 参数的调节 31

结语 33

致谢 34

参考文献 35

附录 37

第一章 绪论

1。1 研究背景

随着城镇化的普及，越来越多的人集聚于大城市，基础的交通设施难以满足人们 的需求，交通拥堵现象随处可见，人们花在交通上的时间成本也越来越高，出行变得 困难，选择公交车、地铁在路线上具有局限性，自行车在使用人群上也有局限性，平 衡性不好的人难以掌握自行车，且长时间的骑行使人劳累，不适宜远途。这就需要研 究新型的交通代步工具，而两轮平衡车正好弥补了这些缺点，使得两轮平衡车逐步受 到人们的亲睐。平衡车要比小车便宜，而且体积小，能在面积小的场合上使用，方便 携带和进入比较窄的道路；相比于自行车，平衡车是电动的，不需要人用力，而且系 统会自动平衡，即使平衡能力弱的人也能轻松掌握。文献综述

两轮平衡车是指安装有可充电电池或者有其他电动来推动马达的两轮车，两轮平 衡车由内部放置的高精度的陀螺仪和加速度传感器来测量出车身所处的姿势状态，其 次将小车姿态数据输入微控制器，再经过高速的中央处理器计算出适当的指令后，驱 动马达使车轮正反运动来做到平衡的效果，不需要人为控制车身的平衡，且要在各种 状态下保持动态平衡[1]。除了满足人们日常的行动需求外，微型版的平衡车还能应用 于地形条件复杂人无法进入的场景中，携带相关设备进入未知地区进行探测，比如地 震时用于垮塌房屋下的搜救。

1。2 研究现状与发展

1。3 本文的主要内容

本文主要内容有两轮平衡车的平衡控制原理，两轮平衡车的设计方案及硬件选 型，平衡车的主要硬件微控制器芯片 Arduino、传感器 MPU6050、电机驱动芯片 L293D 等的相关理论知识。传感器与微控制器之间的通信，用于处理传感器数据的卡尔曼滤 波算法，PID 控制算法原理及参数的调节等。

第二章 两轮平衡车控制原理

2。1 两轮平衡车的任务分解

两轮平衡车是依靠站在地面上的两个轮子的前进或者后退来保持车身的平衡，如 果将小车看着一个控制对象，那么它的输入量就是两个电动机的转动速度。于是小车 的控制任务便可分解为小车车身平衡控制及小车速度控制。来`自+优-尔^论:文,网www.youerw.com +QQ752018766-

小车平衡控制：通过控制两个车轮的正反运动来维持平衡。 小车速度控制：通过车身倾斜的角度来实现对小车速度的控制，但是最终对车轮

速度实现控制的是电机的转速。 小车直立任务是直接通过控制小车两个电机完成的，小车的速度是靠调节小车倾